中国东方电气集团有限公司10兆瓦海上风电样机填补了国内大容量海上风电机组技术空白,历史性地将我国风电引入“两位数时代”。2021年10兆瓦海上风电实现批量交付,标志着我国已完全具备10兆瓦等级大容量海上风电机组自主研发、制造、安装能力,推动我国由“风电大国”向“风电强国”转变。
形成超大容量海上风电机组整机设计能力。东方电气对集团内60余年水电、火电、核电等发电设备研制历程中积累的经验、知识和人才进行整合,并运用于风电产品开发,实现了风电技术的跨越式进步。
建立超大尺寸柔性叶片气动-结构协同优化设计及叶片制造检测方法。东方风电凭借多年的叶片研制经验,厚积薄发,攻坚克难,攻克了800mm宽、100层厚碳纤维主梁灌注这一世界性难题,掌握了世界上最宽最厚碳纤维主梁制造关键技术,首创性提出碳纤维褶皱检测方法,成功研制90米长叶片(发电量提高1%,载荷降低6%,叶片重量降低20%,刚度提高60%)。并以此为基础,成功研制103米长叶片,刷新我国风电叶片最长纪录。
形成适应海上大功率风电机组低载、稳定、高效控制方法。通过大量的理论计算和试验验证,掌握了基于边缘计算方法的敏捷实时智能控制关键技术,有效解决机组过载、过振、超速等技术难题,降低机组载荷;突破偏航控制关键技术,降低偏航系统冲击载荷;掌握超长柔性叶片同步变桨控制关键技术,解决电动变桨传动系统易磨损、应力集中等技术难题。
研发综合实时数字仿真平台与智慧运维系统。坚持围绕市场需求开展创新,针对大型风机可靠性验证需求开发实时数字仿真平台,针对海上风场无人值守需求开发智慧运维系统,在提高机组可靠性、降低运维成本方面发挥了关键作用。
带动直驱风电机技术快速进步。与集团内企业—东方电机协同,搭建10兆瓦等级海上风电电机设计平台,成功突破10兆瓦等级海上风电电机轴系、密封结构、电磁绝缘、通风冷却等关键核心技术,完成10兆瓦等级直驱风电电机研制。
带动电控系统技术快速进步:与集团内企业—东方自控协同,在国内首次实现超大功率等级控制系统研发,控制系统源程序100%自主设计。相比国外引进品牌,该电控系统适应性更强、可维护性更高、运维成本更低。
带动变流器技术快速进步:与集团内企业—东方自控以及禾望电气协同,攻克海上大容量风电机组3000V等级中压全功率变流器控制技术、三电平技术等难题。
加快推动国产化替代工作:在成功掌握10兆瓦海上风电机组关键技术的基础上,东方电气联合中国华能、国机集团洛阳轴承研究所、禾望电气、中石化等企业,共同完成我国首台7兆瓦国产化海上风电机组研制工作。该机组于2021年12月并网投运,其一级部件国产化率达100%,整机国产化率超96.2%,达到国内同类机组最高水平。在国内首次实现碳纤维、主轴承、可编程逻辑控制器(PLC)、变流器IGBT等关键部套、原材料的国产化,填补国内风电行业多项技术空白,推动我国海上风电全产业链技术更加自主、安全、可控。
加强组织领导。东方电气落实国务院国资委有关要求,组建了集团和子企业两级技术攻关领导小组,分别由集团公司和子企业党政主要领导担任组长,并建立了“一级抓一级、一月一跟踪、一季一督导”工作机制,将目标任务分解落实到三级专员。
加强平台建设。以国资委确定的风电原创技术策源地建设为依托,成立创新联合体,与中国华能、国机集团、三峡集团、浙江大学、四川大学、中科院、中电十所等企业、高校、科研院所开展合作,瞄准超大型海上风电机组、大型陆上风电机组、深远海漂浮式风电机组研制及示范应用、智慧风电系统平台开发与推广等方向开展攻关,助力风电关键核心技术持续突破。
加强风险管理。系统梳理10兆瓦海上风电机组设计、采购、生产、吊装、调试各环节风险,制定管控措施,每月对风险进行跟踪,实现风险的可升、可降、可增动态管控。制定从设计开发到风场运维全过程质量控制策划,严格把控质量,确保机组投运一次成功。
沿海城市用电量大,大力发展海上风电可以让沿海城市用上清洁能源,缓解环境污染压力,促进资源节约型、环境友好型社会建设,实现绿色低碳发展,助力我国早日实现“30·60”目标。
在年平均10米/秒的风速条件下,单台10兆瓦海上风电机组每年可以输送出4000万度清洁电能,可满足20000个三口之家的家庭正常用电需求,可减少燃煤消耗12200吨,二氧化碳排放30414吨,有助于持续改善生态环境和气候条件。
项目成果已应用于东方电气集团10兆瓦、7.5兆瓦、7兆瓦系列机组,已累计实现机组销售144台,订单总额超63亿元,新增利润超6亿。
单台10兆瓦机组每年发电量预计4000万千瓦时,按目前海上电价0.85元/千瓦时计算,单台机组年发电产出3400万元,25年寿命期内可实现发电产出8.5亿元。伴随海上风电快速发展,装机台数持续增多,带来的效益将快速增长。
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促进我国海上风电产业发展。10兆瓦海上风电机组拥有完全自主知识产权,并通过整机研制带动形成了大型叶片、直驱发电机、控制系统等核心关键部件的批量国产化设计制造能力,并实现了批量应用。
推动风电技术进步。10兆瓦级海上风电机组关键技术研究及应用,为后续攻克大型海上风电机组关键共性技术打下坚实基础。
加快人才队伍锻炼。通过本项目的实施,培养高级工程师48人,工程师12人。
自主创新需要深厚的技术积淀。东方风电在短时间内完成跨代开发计划,推动我国海上风电技术达到国际先进水平,这一切离不开东方电气集团60余年发电设备研制经历积累的技术、经验和人才。
协同创新是实现产业化的关键。东方风电在打造风电“大国重器”的过程中,特别注重与产业链协同,在10兆瓦海上风电机组样机推出后,很快实现了整机及部套的量产,为批量化应用提供了支撑。
重大创新离不开强有力的组织。10兆瓦海上风电机组得到了国资委、东方电气集团、东方风电、相关企业及科研院所的高度重视,加强了组织和资源保障,确保了项目按计划推进。